地鐵車站大跨度深基坑支護技術(shù)

1、地鐵車站大跨度深基坑支護技術(shù) 地鐵車站工程施工中圍護結(jié)構(gòu)是重要的一個環(huán)節(jié)。本文以天津地鐵洪湖里車站為例對灌注樁加攪拌樁內(nèi)撐式支護結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計計算、土方開挖、支撐架設(shè)、體系轉(zhuǎn)換、信息化監(jiān)測等進行了研究與應(yīng)用介紹。前言隨著經(jīng)濟水平和城市建設(shè)的迅速發(fā)展地下工程愈來愈多，開發(fā)和利用地下空間的要求日顯重要。地下鐵道、地下車庫、地下商場、地下倉庫、地下人防工程高層建筑的多層地下室等構(gòu)筑物日益增多。近年來，國內(nèi)興建了許多大型地下設(shè)施，如北京、上海的地鐵、地下停車場、地下變電站和污水處理工程等，伴隨著深基坑工程規(guī)模和深度的不斷加大，開挖深度在10m以下的基坑已不少見，地鐵車站的開挖深度最大已接近20m。大量

2、深基坑工程的出現(xiàn)，促進了設(shè)計計算理論的提高和施工工藝的發(fā)展，通過大量的工程實踐和科學(xué)研究，逐步形成了基坑工程學(xué)這一新興學(xué)科。在土木工程領(lǐng)域中，目前基坑工程學(xué)是發(fā)展最迅速的學(xué)科之一，也是工程實踐要求最迫切的學(xué)科之一?；庸こ陶_、科學(xué)的設(shè)計和施工，配合切實有效的信息監(jiān)測手段，能帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，對加快施工進度、保護環(huán)境發(fā)揮了重要作用，否則將會招致嚴(yán)重的后果，大量工程實踐已經(jīng)證明了這一點。基坑開挖的施工工藝一般有兩種：無支護開挖（放坡開挖）和有支護開挖。在城市中心地帶，建筑物稠密地區(qū)，往往不具備放坡開挖的條件，只能在支護結(jié)構(gòu)保護下進行垂直開挖。對支護結(jié)構(gòu)的要求，一方面是創(chuàng)造條件便于基坑

3、土方的開挖，但在建（構(gòu)）筑物及地下管線密集地區(qū)更重要的是保護周圍環(huán)境，因此對支護結(jié)構(gòu)應(yīng)進行精心的設(shè)計和施工，并輔以必要的監(jiān)測手段，以確?；影踩??；油练介_挖是基坑工程的一個重要內(nèi)容?；油练饺绾谓M織開挖，不但影響工期、造價，而且還影響支護結(jié)構(gòu)的安全和變形，并危及周圍環(huán)境。為此對較大的基坑工程必須編制詳細的施工方案，運用時空效應(yīng)理論，確定挖土機械、挖土工況、挖土順序、支撐架設(shè)方法等。在軟土地區(qū)和地下水豐富的地區(qū)，土方開挖還常常輔以基坑降水，以確?；影踩捅阌谑┕?，保護環(huán)境。在施工過程中跟蹤施工活動，對周圍土體位移和附近建筑物、地下管線等保護對象的變形及受力情況進行量測，所取得的數(shù)據(jù)與預(yù)測值和

4、計算值相比較，能可靠地反映工程施工所造成的影響，能較準(zhǔn)確地以量的形式反映這種影響程度。在地下工程中，由于地質(zhì)條件、荷載條件、施工方法和外界其它因素的復(fù)雜影響，很難單純從理論上預(yù)測工程中可能遇到的所有問題，而且理論預(yù)測值還不能全面、準(zhǔn)確地反映工程的各種變化。所以，在理論分析指導(dǎo)下有計劃地進行現(xiàn)場工程信息檢測十分必要。1 工程概況天津地鐵洪湖里車站是天津市地鐵一號線工程組成部分之一，是既有地鐵線路天津西站站點向北延伸新建的車站，車站主體結(jié)構(gòu)全長175.3m，單層段長66.0m，寬19.9m，雙層段長109.3m，最寬處30.3m,車站設(shè)南北兩個通風(fēng)道，4個出入口。車站所通過地區(qū)為濱海平原，地形平坦

5、，房屋密集，建筑物多為平房，周圍地下管線較多。本段地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土（qh）、上部陸相層（q3h）、第一海相層（q2h）、中上部陸相層（q1h）及更新統(tǒng)海陸交互相堆積層（qp）。本工程地下水類型為第四系孔隙潛水，主要賦存于粘性土及砂類土中。地下水埋深0.92.6m（高程1.12.8m），水位變幅1.02.0m。車站基坑長177.3m，深12.5m，斷面復(fù)雜，最寬處達30.7m，屬大跨度、變截面、長條型深基坑（如圖1所示）。圖1 基坑平面圖2 基坑支護體系2.1支護方案洪湖里站采用明挖順作法施工，鉆孔灌注樁加水泥攪拌樁復(fù)合型圍護結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注樁為主要受力結(jié)構(gòu)，灌注樁直徑0.8m，間距

6、1.0m，采用c20鋼筋砼。500 350水泥土攪拌樁主要用于止水、抗?jié)B。支撐體系：橫撐采用62412鋼管，水平間距3.0m，豎向按基坑深度設(shè)3道；壓頂梁為寬0.9m，高1.2m的c20鋼筋砼梁；腰梁為三拼 i 36組合截面工字鋼。支撐立柱為4008鋼管，立柱基礎(chǔ)為800灌注樁；連系梁為i 36工字鋼。原方案支護型式如圖2所示，其支撐按國內(nèi)類似基坑工程的通常做法將層距控制在4.5m左右，即第二層支撐處于雙層段中層板（單層段頂板）之下，在施工側(cè)墻期間，需將第二層支撐下落，這就在側(cè)墻上增加了一道水平施工縫，增加了一步倒撐工序；跨度超過30m的支撐，為了提高其承載力，通常設(shè)置雙排支撐立柱，跨度在20

7、m左右的支撐，設(shè)置單排支撐立柱，將支撐自由長度控制在10m左右，但這造成了槽內(nèi)立柱林立，嚴(yán)重制約了土方開挖及支撐架設(shè)速度，與深基坑工程“快開挖、快支護”的原則相矛盾。工程實施中，我們采取可行的技術(shù)措施，采用支撐布置型式如圖3所示。通過合理調(diào)整三層支撐標(biāo)高，尤其將第二層支撐調(diào)至中層板（頂板）之上，避免了支撐倒換，實現(xiàn)了側(cè)墻、中層板（頂板）同時澆注，無障礙施工，減少了一道水平施工縫，提高了結(jié)構(gòu)的整體性和自防水能力。施工過程中進行支撐體系轉(zhuǎn)換，撤除支撐立柱，實現(xiàn)底板防水層和底板砼連續(xù)施工，減少滲漏隱患，提高了工程質(zhì)量。工程中在確保安全的前提下將雙排支撐立柱改為單排，擴大了基坑工作空間，減少了障礙，便

8、于土方取運，也利于改善外包防水層的防水效果，提高結(jié)構(gòu)底板的連續(xù)性與整體性?；硬捎脙?nèi)井點降水。圖2 原方案支護斷面圖圖3 實施中支護、監(jiān)測斷面圖2.2 圍護結(jié)構(gòu)計算據(jù)洪湖里站工程地質(zhì)勘察報告，地質(zhì)資料如下表：地層名稱 承載力標(biāo)準(zhǔn)值kpa 滲透系數(shù)m/d 標(biāo)貫nq3h 7.5 18.8 28.5 100 0.21 5.7q2h 13.3 19 23 90 0.22 7.7q1h 7.11 19.9 25.5 140 0.32 11.4qp 13.3 20.1 37.5 200 0.32 14地質(zhì)資料斷面簡圖如圖4示：圖4 地質(zhì)斷面圖2.2.1 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算根據(jù)力學(xué)分析及土壓力的形成過程，圍護

9、結(jié)構(gòu)在基坑土方挖至5.9m，第三層支撐尚未架設(shè)和挖土至8.6m，封底砼尚未澆筑形成強度兩個工況內(nèi)處于最危險狀態(tài)。故需要對以上兩種狀態(tài)進行計算。土壓力用郎肯公式計算，偏安全起見，采用水土分算法。2.2.1.1 挖土至5.9m，安裝第三層支撐前，如圖5、圖6所示：圖6 荷載圖 圖5 工況圖 計算得：rb=265.4（kn/m）單撐軸力：nb=3rb=796.2（kn）=79.6（t）mmax=645.3(knm)最大彎距發(fā)生在4.3m標(biāo)高處。第二層支撐達到最大軸力。2.2.1.2成槽驗算基坑已挖至設(shè)計槽底標(biāo)高，但封底砼尚未澆筑形成強度，如圖7、圖8所示：圖8 荷載圖 圖7 工況圖 計算得：rc=4

10、69.0(kn/m)；單撐軸力：nc=3rc=1407(kn)=140.7(t)mmax=296.4(knm)最大彎距發(fā)生在8.8m標(biāo)高出。第三層支撐達到最大軸力。內(nèi)力統(tǒng)計：mmax(knm) nbmax(t) ncmax(t) qmax(t)645.3 79.6 140.7 140.72.2.2抗傾覆穩(wěn)定性根據(jù)抗傾覆穩(wěn)定性驗算，灌注樁需要入土深度為8.0m，樁實際入土深度為8.8m ，故滿足要求。2.2.3基坑底部抗隆起穩(wěn)定性分析基坑的抗隆起穩(wěn)定性分析具有保證基坑穩(wěn)定和控制基坑變形的重要意義，以保證不發(fā)生基底隆起破壞或過大的基底隆起變形，故需對其進行驗算。在以往許多驗算抗隆起安全系數(shù)的公式中

11、，很少同時考慮c、 ，顯然對于一般粘性土，在土體抗剪強度中應(yīng)包括c、 的因素，因此參照ptandtl和terzaghi的地基承載力公式，并將樁底面的平面作為求極限承載力的基準(zhǔn)面，工程中我們采用了同時考慮c、 的抗隆起計算法。如圖9所示。圖9 基坑隆起圖式中 1為坑外地表至支護墻底各土層天然重度加權(quán)平均值(kn/m3)；2為坑內(nèi)開挖面以下至支護墻底各土層天然重度加權(quán)平均值(kn/m3)； c為支護墻底處的地基土粘聚力(kn/m2)； q為坑外地面荷載； h為基坑開挖深度(m)； d為墻體入土深度(m)；nq，nc為地基承載力系數(shù)； 為支護墻底處土的內(nèi)摩擦角（度） ks為支護墻底地基承載力安全系數(shù)

12、。取ks=1.2計算得：ks=2.181.2 故滿足要求。2.2.4灌注樁配筋計算基坑圍護結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件為800砼灌注樁，砼強度等級c20，配筋形式如圖10所示：圖10 灌注樁配筋圖承載力按下列公式計算：得彎矩承載力標(biāo)準(zhǔn)值為m=800(knm)mmax=645.3(knm)，故：滿足要求。2.3 鋼管支撐計算洪湖里車站工程基坑跨度達30.7m，為了減少支撐長細比，提高承載力，在基坑中間設(shè)支撐立柱，為了便于土方取運，改善外包防水層的防水效果，提高結(jié)構(gòu)底板的整體性與連續(xù)性，將兩排支撐立柱改為一排。計算時，取支撐的最不利受力狀態(tài)即雙向偏心壓彎狀態(tài)進行驗算，公式如下：經(jīng)驗算，在最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值 即設(shè)計值n

13、c=168.8(t)時，62412鋼管支撐自由長度允許值為l25.0(m)。支撐安裝架設(shè)時，采取預(yù)起拱、預(yù)設(shè)反向偏心距等措施，以減少支撐自重對其承載力的影響。3 時空效應(yīng)理論在基坑土方開挖及支撐架設(shè)中的應(yīng)用從國內(nèi)有流變性的軟土地區(qū)，特別是近十年來關(guān)于深基坑的施工和試驗研究中，人們認(rèn)識到基坑開挖施工過程中的每個分步開挖的空間幾何尺寸和圍護結(jié)構(gòu)開挖部分的無支撐暴露時間，對基坑圍護樁體和周邊地層位移有明顯的相關(guān)性，這反映了基坑開挖中的時空效應(yīng)的規(guī)律性。利用時空效應(yīng)科學(xué)地制定開挖和支護的施工方案，能可靠合理地利用土體自身在開挖過程中控制位移的潛力而達到控制槽周地層位移、保護環(huán)境的目的，從而改變目前基坑

14、中為控制槽周地層位移而采用昂貴的地基加固的做法。這是安全經(jīng)濟地解決開挖過程中穩(wěn)定和變形問題的一條有發(fā)展前途的新技術(shù)途徑。洪湖里車站基坑開挖以機械挖土為主，輔以人工清槽，遵循“短開挖、快支護、嚴(yán)治水、勤量測、分層分段、撐挖結(jié)合”的原則。先取3.6m表層土（至0.0m標(biāo)高處），修好運土車下槽坡道，再挖0.0m5.9m標(biāo)高范圍內(nèi)的土，再由另一臺反鏟挖掘機倒挖第三層土，挖土過程中支撐架設(shè)必須及時跟上，基坑無支撐暴露時間控制在12h之內(nèi)，搶在土壓力形成之前完成支撐的安裝工作。基坑開挖每25m為一段，成槽后在12h內(nèi)澆筑封底砼，以確?；影踩?。窄槽段采用“中心島”式開挖方法，在挖除基坑中心島的同時，組織人

15、力安裝兩邊的腰梁，這兩步工序要同時、平行進行，取完中心島部位土體后，及時架設(shè)鋼支撐并施加80%設(shè)計值預(yù)應(yīng)力，以控制基坑變形。如圖11、圖12所示。圖11 窄槽段挖土工況圖（縱斷面）圖12 窄槽段挖土工況圖（橫斷面）寬槽段采用“兩側(cè)島式”配合“中心盆式”開挖，在挖除兩個“側(cè)島”土體的同時，組織人力安裝兩邊的腰梁，這兩步工序要同時、平行進行，取完兩“側(cè)島”土體后，及時架設(shè)鋼支撐并施加80%設(shè)計值預(yù)應(yīng)力，以控制基坑變形。如圖13、圖14所示。圖13 寬槽段挖土工況圖（縱斷面）圖14 寬槽段挖土工況圖（橫斷面）實踐證明，運用以上開挖方法能夠有效地控制圍護樁體變形及周邊土體滑移，對減少基坑無支撐暴露時間

16、，合理組織挖土與支撐架設(shè)兩道工序的穿插與配合，確?；影踩?，保護周圍環(huán)境是有顯著效果的。4 支撐體系轉(zhuǎn)換基坑支撐體系轉(zhuǎn)換流程如下：支撐體系轉(zhuǎn)換過程要嚴(yán)格按照技術(shù)要求進行，加強基坑監(jiān)測，保證基坑安全。實踐證明，上述體系轉(zhuǎn)換方法能夠避免支撐倒換，減少對基坑的擾動，為緊后工序創(chuàng)造了工作面和工作空間，提高了工程質(zhì)量，是一種安全、合理、高效、經(jīng)濟的轉(zhuǎn)換方法。5 施工信息化監(jiān)測地鐵洪湖里車站地處天津市中心地帶，基坑深達12.5m，由于主體結(jié)構(gòu)的影響，三層支撐標(biāo)高的調(diào)整幅度比較大，故施工過程中進行信息化監(jiān)測是確?；影踩闹匾h(huán)節(jié)。支護結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境的監(jiān)測主要分為應(yīng)力監(jiān)測與變形監(jiān)測。變形監(jiān)測儀器主要采用經(jīng)緯

17、儀、水準(zhǔn)儀和測斜儀等，應(yīng)力監(jiān)測儀器主要采用應(yīng)變計、鋼筋計、壓力傳感器和孔隙水壓力計等。從深基坑施工安全性考慮：灌注樁、鋼支撐是深基坑施工主要的受力構(gòu)件，其受力的大小是否符合理論計算是進行監(jiān)測的重要目的之一，根據(jù)前述圍護結(jié)構(gòu)受力特點分析選擇8.8m標(biāo)高處、4.3m標(biāo)高處位置作為應(yīng)力監(jiān)測點。由于鋼支撐主要承受壓力，我們在鋼支撐的端部設(shè)應(yīng)力監(jiān)測點。深基坑施工中必將引起基坑周圍及坑底土體的變化，其變形量的大小直接影響到周圍建筑物（構(gòu)筑物）的結(jié)構(gòu)安全，因此施工過程中在基坑周圍及坑底設(shè)立數(shù)個變形量監(jiān)控點。工程中的監(jiān)測項目及結(jié)構(gòu)斷面測點布置圖如圖15所示：圖15 監(jiān)測斷面測點布置圖監(jiān)測項目一覽表在這里，我們

18、選取dk1+612.00、dk1+659.00、dk1+684.00斷面測點對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，可得出如下規(guī)律：實測值較理論計算值偏小，原因有：計算方法尚需進一步完善；計算取值及邊界條件皆偏安全；監(jiān)測方法及手段尚需改進；監(jiān)測數(shù)據(jù)的游離性；施工時支撐架設(shè)的及時性有差異；挖土工況與計算模型之間存在差異；現(xiàn)場堆載、車輛行駛、地下水、雨季及其它不確定因素的影響。在澆筑封底砼后，隨著基坑兩側(cè)土體的重新固結(jié)穩(wěn)定，灌注樁內(nèi)力、支撐內(nèi)力變化趨于平穩(wěn)且略有下降。支撐軸力在支撐安裝后72小時左右達到最大值，此后開始略有下降。拆除第三層支撐后，灌注樁內(nèi)力及第二層撐軸力增加幅度不大，約為10%左右。地表沉陷達到穩(wěn)定狀態(tài)歷時較長，約為半個月左右，但直到回填土完成后，沉陷依然略有發(fā)展。地表沉陷量最大點距基坑邊緣距離近似等于基坑深度。在水泥攪拌樁截水帷幕止水效果理想的情況下，地下水位變化、基坑回彈容易控制在允許范圍之內(nèi)。在止水帷幕滲漏水量較大處，或只有八字角撐處灌注樁位移量及地面沉陷量可成倍增加。6 結(jié)論城市地鐵車站及類似的大跨度、深基坑中應(yīng)用灌注樁加攪拌樁內(nèi)撐式支護體系是切實可行的支護方案